Durante el proceso de extrusión de materiales de aleación de aluminio, especialmente perfiles de aluminio, suele aparecer un defecto de picaduras en la superficie. Las manifestaciones específicas incluyen tumores muy pequeños con densidades variables, colas y una sensación táctil evidente, con una sensación puntiaguda. Tras la oxidación o el tratamiento electroforético de la superficie, suelen aparecer como gránulos negros adheridos a la superficie del producto.
En la producción de extrusión de perfiles de sección grande, es más probable que este defecto ocurra debido a la influencia de la estructura del lingote, la temperatura de extrusión, la velocidad de extrusión, la complejidad del molde, etc. La mayoría de las partículas finas de defectos picados se pueden eliminar durante el proceso de pretratamiento de la superficie del perfil, especialmente el proceso de grabado alcalino, mientras que una pequeña cantidad de partículas de gran tamaño, firmemente adheridas, permanecen en la superficie del perfil, lo que afecta la calidad de la apariencia del producto final.
En los perfiles de puertas y ventanas de construcción comunes, los clientes generalmente aceptan defectos de picaduras menores, pero para los perfiles industriales que requieren el mismo énfasis en las propiedades mecánicas y el rendimiento decorativo o más énfasis en el rendimiento decorativo, los clientes generalmente no aceptan este defecto, especialmente los defectos de picaduras que son inconsistentes con el color de fondo diferente.
Para analizar el mecanismo de formación de partículas rugosas, se analizó la morfología y la composición de los defectos bajo diferentes composiciones de aleación y procesos de extrusión, y se compararon las diferencias entre los defectos y la matriz. Se propuso una solución viable para resolver eficazmente el problema de las partículas rugosas y se realizó una prueba piloto.
Para solucionar los defectos de picaduras en los perfiles, es necesario comprender su mecanismo de formación. Durante el proceso de extrusión, la adherencia del aluminio a la banda de trabajo del molde es la principal causa de defectos de picaduras en la superficie de los materiales de aluminio extruido. Esto se debe a que el proceso de extrusión del aluminio se realiza a una temperatura de aproximadamente 450 °C. Si se suman los efectos del calor de deformación y el calor de fricción, la temperatura del metal aumentará al salir del orificio del molde. Cuando el producto sale del orificio del molde, debido a la alta temperatura, se produce la adherencia del aluminio entre el metal y la banda de trabajo del molde.
La forma de esta unión suele ser la siguiente: un proceso repetido de unión – desgarro – unión – desgarro nuevamente, y el producto fluye hacia adelante, lo que da lugar a muchos hoyos pequeños en la superficie del producto.
Este fenómeno de unión está relacionado con factores como la calidad del lingote, el estado de la superficie de la cinta de trabajo del molde, la temperatura de extrusión, la velocidad de extrusión, el grado de deformación y la resistencia a la deformación del metal.
1 Materiales y métodos de prueba
Mediante una investigación preliminar, descubrimos que factores como la pureza metalúrgica, el estado del molde, el proceso de extrusión, los ingredientes y las condiciones de producción pueden afectar la rugosidad superficial de las partículas. En la prueba, se utilizaron dos varillas de aleación, 6005A y 6060, para extruir la misma sección. La morfología y la composición de las posiciones de las partículas rugosas se analizaron mediante un espectrómetro de lectura directa y métodos de detección por SEM, y se compararon con la matriz normal circundante.
Para distinguir claramente la morfología de los dos defectos de picado y partícula, se definen de la siguiente manera:
(1) Los defectos de picadura o de tracción son un tipo de defecto puntual, consistente en un arañazo irregular, similar a un renacuajo o a una punta, que aparece en la superficie del perfil. El defecto comienza en la raya y termina con su desprendimiento, acumulándose en granos metálicos al final de la línea de rayado. El tamaño del defecto de picadura suele ser de 1 a 5 mm y se vuelve negro oscuro tras el tratamiento de oxidación, lo que afecta la apariencia del perfil, como se muestra en el círculo rojo de la Figura 1.
(2) Las partículas superficiales también se denominan granos metálicos o partículas de adsorción. La superficie del perfil de aleación de aluminio está unida con partículas metálicas duras esféricas de color gris negruzco y presenta una estructura flexible. Existen dos tipos de perfiles de aleación de aluminio: los que se pueden limpiar y los que no. Su tamaño suele ser inferior a 0,5 mm y presentan una textura áspera. No presenta arañazos en la sección frontal. Tras la oxidación, no presenta grandes diferencias con la matriz, como se muestra en el círculo amarillo de la Figura 1.
2 Resultados de pruebas y análisis
2.1 Defectos de tracción superficial
La Figura 2 muestra la morfología microestructural del defecto de tracción en la superficie de la aleación 6005A. Se observan arañazos escalonados en la parte frontal de la tracción, que terminan en nódulos apilados. Tras la aparición de los nódulos, la superficie recupera su estado normal. La rugosidad no es lisa al tacto, presenta una textura puntiaguda y se adhiere o acumula en la superficie del perfil. Mediante la prueba de extrusión, se observó que la morfología de tracción de los perfiles extruidos 6005A y 6060 es similar, y el extremo de cola del producto es mayor que el extremo de cabeza; la diferencia radica en que el tamaño total de tracción del 6005A es menor y la profundidad del arañazo es menor. Esto puede estar relacionado con cambios en la composición de la aleación, el estado de la varilla fundida y las condiciones del molde. Al observar con un aumento de 100X, se observan marcas de rayado evidentes en el extremo frontal de la zona de tracción, que se alarga en la dirección de extrusión, y la forma de las partículas nodulares finales es irregular. Al observar con un aumento de 500X, el extremo frontal de la superficie de tracción presenta rayadas escalonadas en la dirección de extrusión (el tamaño de este defecto es de aproximadamente 120 μm), y se observan marcas de apilamiento evidentes en las partículas nodulares del extremo posterior.
Para analizar las causas del desprendimiento, se utilizaron un espectrómetro de lectura directa y EDX para analizar la ubicación de los defectos y la matriz de los tres componentes de la aleación. La Tabla 1 muestra los resultados de la prueba del perfil 6005A. Los resultados de EDX muestran que la composición de la posición de apilamiento de las partículas de desprendimiento es básicamente similar a la de la matriz. Además, se acumulan partículas finas de impurezas dentro y alrededor del defecto de desprendimiento, que contienen C, O (o Cl), o Fe, Si y S.
El análisis de los defectos de rugosidad de los perfiles extruidos de 6005A con oxidación fina muestra que las partículas de tracción son de gran tamaño (1-5 mm), la superficie está mayormente apilada y presenta arañazos escalonados en la sección frontal. La composición es similar a la de la matriz de Al, y se encuentran fases heterogéneas que contienen Fe, Si, C y O distribuidas a su alrededor. Esto demuestra que el mecanismo de formación de la rugosidad en las tres aleaciones es el mismo.
Durante el proceso de extrusión, la fricción del flujo metálico provoca un aumento de la temperatura de la banda de trabajo del molde, formando una capa de aluminio pegajosa en el borde de corte de la entrada de la banda. Al mismo tiempo, el exceso de Si y otros elementos como Mn y Cr en la aleación de aluminio facilitan la formación de soluciones sólidas de reemplazo con Fe, lo que promueve la formación de una capa de aluminio pegajosa en la entrada de la zona de trabajo del molde.
A medida que el metal fluye hacia adelante y roza contra la banda de trabajo, se produce un fenómeno recíproco de unión-desgarro-unión continua en una posición determinada, lo que provoca que el metal se superponga continuamente en dicha posición. Cuando las partículas alcanzan cierto tamaño, son arrastradas por el producto que fluye y forman marcas de rayado en la superficie del metal. Permanecen en la superficie del metal y forman partículas de arrastre al final de la raya. Por lo tanto, se puede considerar que la formación de partículas rugosas se relaciona principalmente con la adherencia del aluminio a la banda de trabajo del molde. Las fases heterogéneas distribuidas a su alrededor pueden provenir de aceite lubricante, óxidos o partículas de polvo, así como de impurezas arrastradas por la superficie rugosa del lingote.
Sin embargo, el número de tirones en los resultados de la prueba 6005A es menor y el grado es más ligero. Por un lado, esto se debe al biselado a la salida de la banda de trabajo del molde y al pulido minucioso de esta para reducir el espesor de la capa de aluminio; por otro lado, está relacionado con el exceso de contenido de silicio.
De acuerdo con los resultados de la composición espectral de lectura directa, se puede ver que, además del Si combinado con Mg Mg2Si, el Si restante aparece en forma de una sustancia simple.
2.2 Pequeñas partículas en la superficie
Al inspeccionar visualmente con bajo aumento, las partículas son pequeñas (≤ 0,5 mm), no son lisas al tacto, presentan una textura áspera y se adhieren a la superficie del perfil. Al observar con un aumento de 100X, se observa que las partículas pequeñas se distribuyen aleatoriamente en la superficie, incluso con arañazos.
A 500X, incluso si se observan arañazos escalonados evidentes en la superficie a lo largo de la dirección de extrusión, muchas partículas permanecen adheridas, y su tamaño varía. El tamaño de partícula más grande es de aproximadamente 15 μm, y el de las partículas pequeñas, de aproximadamente 5 μm.
A través del análisis de la composición de las partículas de la superficie de la aleación 6060 y la matriz intacta, las partículas están compuestas principalmente de elementos O, C, Si y Fe, y el contenido de aluminio es muy bajo. Casi todas las partículas contienen elementos O y C. La composición de cada partícula es ligeramente diferente. Entre ellas, las partículas a están cerca de 10 μm, lo cual es significativamente mayor que el Si, Mg y O de la matriz; en las partículas c, Si, O y Cl son obviamente mayores; las partículas d y f contienen alto Si, O y Na; las partículas e contienen Si, Fe y O; las partículas h son compuestos que contienen Fe. Los resultados de las partículas 6060 son similares a esto, pero debido a que el contenido de Si y Fe en el propio 6060 es bajo, los contenidos correspondientes de Si y Fe en las partículas de la superficie también son bajos; el contenido de C en las partículas 6060 es relativamente bajo.
Las partículas superficiales pueden no ser partículas individuales pequeñas, sino también existir en forma de agregaciones de muchas partículas pequeñas con diferentes formas, y los porcentajes de masa de los diferentes elementos en cada partícula varían. Se cree que las partículas se componen principalmente de dos tipos. Uno son precipitados como AlFeSi y Si elemental, que se originan a partir de fases de impurezas de alto punto de fusión, como FeAl₃ o AlFeSi(Mn) en el lingote, o fases de precipitado durante el proceso de extrusión. El otro son materias extrañas adheridas.
2.3 Efecto de la rugosidad superficial del lingote
Durante la prueba, se observó que la superficie trasera del torno de varillas fundidas 6005A estaba rugosa y llena de polvo. Se observaron dos varillas fundidas con las marcas de torneado más profundas en puntos específicos, lo que correspondió a un aumento significativo en el número de tiradas tras la extrusión, y el tamaño de una sola tirada fue mayor, como se muestra en la Figura 7.
La varilla fundida 6005A no tiene torneado, por lo que la rugosidad superficial es baja y se reduce el número de tirajes. Además, al no haber exceso de fluido de corte adherido a las marcas de torneado de la varilla fundida, se reduce el contenido de carbono en las partículas correspondientes. Se ha comprobado que las marcas de torneado en la superficie de la varilla fundida agravan el tiraje y la formación de partículas hasta cierto punto.
3 Discusión
(1) Los componentes de los defectos de extracción son básicamente los mismos que los de la matriz. Se trata de partículas extrañas, costra vieja en la superficie del lingote y otras impurezas acumuladas en la pared del cilindro de extrusión o en la zona muerta del molde durante el proceso de extrusión, que se depositan en la superficie metálica o la capa de aluminio de la banda de trabajo del molde. A medida que el producto avanza, se producen rayones superficiales, y cuando el producto alcanza cierto tamaño, es arrastrado por el producto, lo que provoca la extracción. Tras la oxidación, la extracción se corroyó y, debido a su gran tamaño, se formaron defectos de tipo picaduras.
(2) Las partículas superficiales a veces aparecen como partículas pequeñas individuales y a veces como agregados. Su composición difiere claramente de la de la matriz y contiene principalmente elementos de O, C, Fe y Si. Algunas partículas están dominadas por elementos de O y C, y otras por O, C, Fe y Si. Por lo tanto, se deduce que las partículas superficiales provienen de dos fuentes: una son precipitados como AlFeSi y Si elemental, e impurezas como O y C adheridas a la superficie; y la otra son materias extrañas adheridas. Las partículas se corroen tras la oxidación. Debido a su pequeño tamaño, su impacto en la superficie es nulo o mínimo.
(3) Las partículas ricas en elementos C y O provienen principalmente del aceite lubricante, polvo, tierra, aire, etc., adheridas a la superficie del lingote. Los principales componentes del aceite lubricante son C, O, H, S, etc., y el principal componente del polvo y la tierra es SiO₂. El contenido de O en las partículas superficiales es generalmente alto. Debido a que las partículas se encuentran a alta temperatura inmediatamente después de salir de la cinta transportadora, y debido a su gran superficie específica, adsorben fácilmente átomos de O en el aire y provocan oxidación tras el contacto con este, lo que resulta en un mayor contenido de O que en la matriz.
(4) El Fe, el Si, etc., provienen principalmente de óxidos, incrustaciones antiguas y fases de impurezas en el lingote (de alto punto de fusión o segunda fase que no se elimina completamente mediante la homogeneización). El elemento Fe se origina a partir del Fe presente en los lingotes de aluminio, formando fases de impurezas de alto punto de fusión, como FeAl₃ o AlFeSi(Mn), que no se disuelven en solución sólida durante el proceso de homogeneización o no se convierten completamente. El Si existe en la matriz de aluminio en forma de Mg₂Si o una solución sólida sobresaturada de Si durante el proceso de fundición. Durante el proceso de extrusión en caliente de la varilla fundida, puede precipitar un exceso de Si. La solubilidad del Si en el aluminio es del 0,48 % a 450 °C y del 0,8 % (en peso) a 500 °C. El exceso de Si en 6005 es de aproximadamente el 0,41 %, y el Si precipitado puede ser consecuencia de la agregación y precipitación causadas por fluctuaciones de concentración.
(5) La adherencia del aluminio a la banda de trabajo del molde es la principal causa de tracción. La matriz de extrusión se encuentra en un entorno de alta temperatura y alta presión. La fricción del flujo de metal aumenta la temperatura de la banda de trabajo del molde, formando una capa de aluminio pegajosa en el borde de corte de la entrada de la banda.
Al mismo tiempo, el exceso de Si y otros elementos como Mn y Cr en la aleación de aluminio facilitan la formación de soluciones sólidas de reemplazo con Fe, lo que promueve la formación de una "capa de aluminio pegajosa" en la entrada de la zona de trabajo del molde. El metal que fluye a través de esta "capa de aluminio pegajosa" pertenece a la fricción interna (cizallamiento deslizante dentro del metal). El metal se deforma y endurece debido a la fricción interna, lo que promueve la adhesión del metal subyacente al molde. Al mismo tiempo, la banda de trabajo del molde se deforma en forma de trompeta debido a la presión, y el aluminio pegajoso formado por la parte del filo de la banda de trabajo en contacto con el perfil es similar al filo de una herramienta de torneado.
La formación de aluminio pegajoso es un proceso dinámico de crecimiento y desprendimiento. El perfil desprende constantemente partículas que se adhieren a su superficie, formando defectos de tracción. Si fluye directamente de la banda de trabajo y se adsorbe instantáneamente en la superficie del perfil, las pequeñas partículas adheridas térmicamente se denominan "partículas de adsorción". Si algunas partículas se rompen por la aleación de aluminio extruido, otras se adhieren a la superficie de la banda de trabajo al atravesarla, causando rayones en la superficie del perfil. El extremo final es la matriz de aluminio apilada. Cuando hay mucho aluminio atascado en el centro de la banda de trabajo (la unión es fuerte), los rayones superficiales se agravan.
(6) La velocidad de extrusión tiene una gran influencia en el arrastre. En el caso de la aleación 6005 con orugas, la velocidad de extrusión aumenta dentro del rango de prueba, la temperatura de salida aumenta y el número de partículas superficiales arrastradas aumenta y se vuelve más pesado a medida que aumentan las líneas mecánicas. La velocidad de extrusión debe mantenerse lo más estable posible para evitar cambios bruscos. Una velocidad de extrusión excesiva y una temperatura de salida elevada provocarán un aumento de la fricción y un arrastre de partículas grave. El mecanismo específico del impacto de la velocidad de extrusión en el fenómeno de arrastre requiere seguimiento y verificación posteriores.
(7) La calidad de la superficie de la varilla fundida también es un factor importante que afecta la tendencia a la extracción de partículas. La superficie de la varilla fundida es rugosa, con rebabas de aserrado, manchas de aceite, polvo, corrosión, etc., lo cual aumenta la tendencia a la extracción de partículas.
4 Conclusión
(1) La composición de los defectos de tracción es consistente con la de la matriz; la composición de la posición de las partículas es obviamente diferente a la de la matriz, y contiene principalmente elementos O, C, Fe y Si.
(2) Los defectos de partículas de tracción se deben principalmente a la adherencia del aluminio a la banda de trabajo del molde. Cualquier factor que promueva la adherencia del aluminio a la banda de trabajo del molde provocará defectos de tracción. Para garantizar la calidad de la varilla fundida, la generación de partículas de tracción no afecta directamente la composición de la aleación.
(3) Un tratamiento uniforme y adecuado contra incendios resulta beneficioso para reducir el desgaste de la superficie.
Hora de publicación: 10 de septiembre de 2024
